專利名稱：具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于顯微x射線成像技術領域，特別涉及一種具有四自由
度載物臺的基于錐形束重建的成像裝置。
背景技術：
自1895年倫琴發現X線以后不久，X線就被廣泛用于對人體進行檢 查，作為對疾病診斷的依據。到20世紀70年代和80年代又相繼出現了 X 線計算機體層成像(x-ray computed tomography, x - ray CT或CT)，它 是近代飛躍發展的計算機技術和X線檢査技術相結合的產物。
1971年英國EMI公司Hounsfield研究成功第一臺頭部CT掃描機， 1975年美國Ledkey設計第一臺全身CT機問世，它是用X線束對人體 層面進行掃描，取得信息，經計算機處理而獲得的重建圖像，從而顯著擴 大了人體的檢查范圍，提髙了病變的檢出率和診斷的準確率。這種診斷價值 髙，無痛苦，無創傷無危險的診斷方法，是放射診斷領域中的一項重大突破。
1980年代，由于普通CT無法滿足科學研究對分辨率的苛刻要求，學術 界開始研發顯微CT,即Micro CT。 Micro CT (也稱為顯微CT、微焦點CT 或者微型CT)采用了與普通臨床CT不同的微焦點X線球管，分辨率高達 幾個微米，僅次于同步加速X線成像設備的水平，具有良好的"顯微"作用。 而髙分辨率付出的代價是掃描樣品的體積很小，只有幾個厘米，體現其"微 型"的一 面。
空間分辨率達到10U m至1W m的醫學CT稱為顯微CT(Micro CT， p-CT)。與之對應的是達到肉眼分辨水平的CT稱為宏觀CT(Macro CT)。這 是因為， 一個細胞的大小，平均為10jun-50jim，而細胞小器的大小，約為 0.2jun-l^im。所以，顯微CT也就是"能看見組織和細胞圖像的CT"。
與臨床CT普遍采用的扇形X線束(Fan Beam)不同的是，Micro CT 通常采用錐形X線束(Cone Beam)。采用錐形束不僅能夠獲得真正各向同 性的容積圖像，提髙空間分辨率，提髙射線利用率，而且在采集相同3D圖 像時速度遠遠快于扇形束CT。所以Micro CT能夠提髙掃描速度，可以達到動態成像的效果
Micro CT能夠在不破壞樣品的情況下，對骨骼、牙齒、活體小動物和 各種材料器件進行髙分辨率X線成像，獲取樣品內部詳盡的三維結構信息， 從而顯示各部分的三維圖像，分辨率遠遠高于臨床CT。利用強大的圖像處 理軟件，用戶可以觀察任意角度的斷層圖像/三維圖像，定義任意數量和三 維形狀的感興趣區(Region of Interest, ROI)，分割或合并多個的三維圖像， 定量計算樣品內部選定區域的體積、面積、孔隙率、連接密度、結構模型指 數、各向異性程度等等。根據已知密度的標準品(如體模)，還可以得到樣 品的密度值(如骨密度BMD)，分析物質的種類、組成、強度和完整性等參
數o
目前的Micro CT載物臺通常只有前后、上下和旋轉三個自由度，如果 載物臺的旋轉中心不在射線源焦點和平板檢測器的投影中心組成的連線上， 則會影響成像效果。
發明內容
本實用新型的主要目的在于提供一種具有四自由度載物臺的基于錐形 束重建的成像裝置，解決了現有技術存在的載物臺只有三個自由度，不易調 整的缺點。
為了解決現有技術中上述問題，本實用新型提供的技術方案如下
一種具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成像裝置，包括平移運動 機構和回轉運動機構，其特征在于所述的平移運動機構包括水平方向運動機 構和垂直方向運動機構，所述的水平方向運動機構與載物臺底板平面且平行 設置，垂直方向運動機構設置在水平方向運動機構上且垂直于載物臺底板平 面；所述的回轉運動機構設置在水平方向運動機構的一側。
優選的，所述的水平方向運動機構包括前后、左右方向運動機構，前后、 左右方向運動機構平行設置于載物臺底板平面上且其運動軌跡相互垂直，所 述的回轉運動機構設置在前后或左右方向運動機構上。
優選的，所述平移運動機構包括步進電機、導柱、導柱兩端固定的兩擋 板、門型固定板所述的門型固定板設置在兩擋板間且由導柱貫穿滑動，門 型固定板開口垂直于運動平面；所述的步進電機通過連接桿傳動門型固定板
5滑動。
優選的，所述平移運動機構還包括接近開關，所述的接近開關分別設置 在兩擋板上且接近開關感應器位于門型固定板端。
優選的，所述的步進電機的連接桿為傳動絲桿，步進電機驅動傳動絲桿 與門型固定板對應側的螺母連接。
優選的，所述的回轉運動機構包括自轉步進電機、門型旋轉固定板、擋 板、工作臺，所述工作臺通過轉軸與步進電機連接，工作臺與步進電機間設 置有固定于自轉電機的門型旋轉固定板上。
優選的，所述的回轉運動機構還包括自轉電機固定板、轉軸固定座自 轉步進電機固定于自轉電機固定板下，所述轉軸固定座固定在門型旋轉固定 板的擋板上，工作臺設于轉軸固定座上以滾珠軸承固定。
優選的，所述的成像裝置還包括X射線源、平板檢測器，所述四自由 度載物臺位于X射線源與平板檢測器之間，且X射線源中心、四自由度載 物臺旋轉中心和平板檢測器成像中心位于同一條直線上。
在本實用新型的技術方案中，水平方向運動機構可以提供水平方向上的 左右、前后平移運動(即X、 Y方向)，垂直方向運動機構可以提供垂直方 向上的上下運動(即Z方向)，這些運動機構與回轉運動機構一起提供了載 物臺的四個運動自由度，方便進行載物臺的調整。
本實用新型技術方案中所使用的X射線源優選為微焦點射線源。目前 CT的焦斑直徑為mm數量級，Micro CT中使用的微焦點電子束掃描技術可 以使焦點直徑減小到lim數量級。由于焦斑直徑縮小，單位面積的能量密度 亦成比例增大。為了避免損壞鉤靶可以采用降低電流密度以及提髙掃描速 度，減少照射靶點時間等辦法解決。射線源的控制通過RS-232串口通訊實 現，可以控制X射線源的電壓、電流等參數，數字式控制，可以及時準確的 控制X射線的開關。
本實用新型技術方案所采用的平板檢測器為髙分辨率平板檢測器。由閃 爍體或熒光體層涂上有光電二極管作用的非晶硅層(amorphous Silicon, a-Si)加薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)陣列構成。矩陣中的最小 單元(像素)是由薄膜非晶態硅制成的光電二極管，用以將光轉換成電荷沉積。 在光電二極管矩陣上被覆有摻鉈的碘化銫[CsI(TI)l閃爍光電晶體。透過被檢體后的入射X線，激發光電二極管產生電流，隨之就在光電二極管自身的電 容上積分形成儲存電荷。每一像素的儲存電荷量和與之對應范圍內的入射X 線光子能量與數量成正比。平板檢測器核心器件是一塊大規模集成非晶硅光 電二極管面板，它與一種對X射線光子具有高吸收率的碘化銫CsI(Tl)閃爍 體薄屏緊貼耦合，有效地保證了光電二極管將X射線光子轉換成電荷的效 率。光電二極管和光電場效應三極管都是由薄膜電路(TFT)構成，三極管成 矩陣排列，串行選擇輸出。三極管的多少決定了像素的數量，髙集成度保證 了像素尺寸，X射線穿過反射層到達閃爍體后激發出可見光子，可見光傳遞 到下面光電二極管，光電二極管觸發場效應三極管產生輸出電信號。生成的 電子圖像數據經讀出電路和放大電路后，即以12 bit轉換成數字信號輸出。 輸出數據通過數據采集卡獲取，傳入PC存為圖像。 本實用新型的有益效果
1. 應用本實用新型的裝置通過載物臺X方向的運動控制圖像的放大倍 數，觀察不同的細節；通過Y方向的運動控制，調整載物臺旋轉中心的位置； 通過Z方向的運動控制，觀察物體的不同部位；通過旋轉運動的控制，得到 不同角度的投影圖像。將具有四自由度的載物臺放入Micro CT系統中，對 樣品運動進行控制，得到不同部位、不同分辨率的圖像。
2. 本裝置中X方向的運動可以使物體水平方向上在X射線源和檢測器之 間運動，調整焦物距離，即調節放大倍數。通過放大倍數的調整，可以減少 單個像素的相對尺寸，從而提高成像分辨率。
3. 本裝置中Y方向的運動使得在載物臺旋轉中心發生偏移的情況下可 以進行調節，使載物臺旋轉中心調整到射線源焦點和平板檢測器的投影中心 組成的連線上，達到最佳成像效果。同時此方向上的自由度可研究旋轉中心 偏移對成像結果的具體影響，如偏移程度的不同對成像質量的所造成影響程 度區別。
4本裝置中Z方向的運動可以使物體做垂直運動，觀察物體不同髙度的 細節。
5本裝置還設有自轉運動機構，可以使工作臺作旋轉運動，可以由上位 機通過PLC控制自轉步進電機使載物臺每秒轉動0.9度，在載物臺靜止的間 隔內獲取圖像，轉動一周，得到一圈360度共400幅投影圖像序列。本實用新型提出了一種基于錐形束重建的x射線成像裝置，可以提供載 物臺X、 Y、 Z和自轉四個自由度的調整，可以應用在Micro CT系統中。


圖1是本實用新型實施例具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置的結構示意圖2是本實用新型實施例水平方向左右運動機構(X方向)的結構示意
圖3是本實用新型實施例水平方向前后運動機構(Y方向)的結構示意
圖4是本實用新型實施例垂直方向上下運動機構(Z方向)的結構示意圖。
其中，1為X方向運動機構，2為Y方向運動機構，3為Z方向運動機 構，4為回轉運動機構，ll為第一步進電機、12為左擋板、13為右擋板、 14為門型Y方向固定板、15為前、后導柱、16為第一傳動絲桿、17為第一 蠊母、19為左接近開關、18為右接近開關，21為第二步進電機、22為前擋 板、23為后擋板、24為門型Z方向固定板、25為左、右導柱、27為第二螺 母、28為前接近開關、29為后接近開關、31為第三步進電機、32為上擋板、 33為門型旋轉固定板、34為第一上下導柱、35為第二上下導柱、36為第三 傳動絲桿、37為第三螺母、38為上接近開關、39為下接近開關、41為轉步 進電機、42為自轉電機固定板、43為轉軸固定座、44為工作臺。
具體實施方式
為了更詳盡的表述上述實用新型的技術方案，以下本實用新型人列舉出 具體的實施例來明技術效果需要強調的是，這些實施例是用于說明本實用 新型而不限于限制本實用新型的范圍。
如圖l，該具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的x射線成像裝置， 應用于Micro CT系統中，包括X射線源、平板檢測器、四自由度載物臺、 X、 Y、 Z方直線上，在載物臺的底板上設有X方向運動機構1,在X方向運動機構上設 有Y方向運動機構2, Y方向運動機構的第二傳動絲桿垂直于X方向運動機 構的第一傳動絲桿且平行于載物臺底板，在Y運動機構上設有Z方向運動 機構3和回轉運動機構4， Z方向運動機構的第三傳動絲桿垂直于載物臺的 底板，在回轉機構上設有工作臺，第一、二和三傳動絲桿分別和第一、二、 三步進電機連接，回轉運動機構上設有自轉步進電機。
X方向運動機構包括第一步進電機11、左擋板12、右擋板13、門型Y 方向固定板14、前、后導柱15、第一傳動絲桿16、第一螺母17、左接近開 關19、右接近開關18,門型Y方向固定板14設于左右擋板間，可延前后導 柱作左右運動，門型開口垂直底板，前后導柱貫穿Y方向固定板將左右擋板 連接起來，在左擋板外設有第一步進電機，第一步進電機和第一傳動絲桿連 接，第一傳動絲桿和設在門型Y固定板的左側面中心的第一蠊母配合連接Y 方向固定板，在左右擋板上分別設有左右接近開關。該機構通過第一絲桿16 與第一蠊母17的螺旋副傳動，把第一步進電機11的旋轉運動轉換成第一螺 母17的直線運動，經過前后導柱的導向，實現工作臺的X方向的運動。在 此運動中的工作臺X方向的左右兩個極限位置，是依靠左右接近開關檢測反 饋實現位置限定的。
Y方向運動機構包括第二步進電機21、前擋板22、后擋板23、門型Z 方向固定板24、左、右導柱25、第二傳動絲桿、第二蠊母27、前接近開關 28、后接近開關29，門型Z方向固定板設于前后擋板間，可延左右導柱作 前后運動，門型開口向下，左右導柱貫穿Z方向固定板將前后擋板連接起來， 在前擋板外設有第二步進電機，第二步進電機和第二傳動絲桿連接，第二傳 動絲桿和設在門型Z方向固定板的前面中心的第二蠊母配合連接Z方向固 定板，第二傳動絲桿垂直于X方向運動機構的第一傳動絲桿且平行于載物臺 底板，在前后擋板上分別設有前后接近開關。Y方向運動機構通過與前后擋 板連接的Y方向運動機構底板固定在門型Y方向固定板上。
Z方向運動機構包括第三步進電機31、上擋板32、門型旋轉固定板33、 第一上下導柱34、第二上下導柱35、第三傳動絲桿36、第三蠊母37、上接 近開關38、下接近開關39，門型旋轉固定板設于上擋板和門型Z方向固定 板之間，門型開口向上垂直上擋板，上下導柱貫穿門型旋轉固定板將上擋板和門型Z方向固定板連接起來，第三蠊母配合第三傳動絲桿與第三步進電機 相連，將第三步進電機的旋轉運動轉化為第三蠊母的直線運動，帶動工作臺
作上下運動。第三步進電機設于門型z方向固定板內，在上擋板和門型z
方向固定板上分別設有上下接近開關以實現位置的限定。
回轉機構包括自轉步進電機41、自轉電機固定板42、轉軸固定座43、 工作臺44,自轉步進電機固定于自轉電機固定板下，自轉電機固定板固定于 門型旋轉固定板上，在門型旋轉固定板上設有上擋板，轉軸固定座垂直固定 于上擋板上，工作臺與自轉步進電機間設有轉軸，工作臺設于轉軸固定座上 以兩個滾珠軸承固定，從而把自轉步進電機的轉動傳遞給工作臺，并保證工 作臺的回轉軸線垂直。
四個步進電機均通過PLC控制，PLC提供RS-232接口用于和PC機通 訊。PC機通過RS-232與PLC通訊從而控制電機的轉動，實現四個自由度 的運動。X射線源、載物臺、平板檢測器按照設計的結構如圖1所示裝配結 束后，調節三者的相對位置，使X射線源中心、載物臺旋轉中心、平板檢測 器成像中心三者位于同一條直線上。然后通過自行設計的軟件控制系統進行 投影圖像的獲取即可。
將本實用新型的四自由度的運動裝置應用于Micro CT的載物臺運動控 制系統中使得在載物臺旋轉中心發生偏移的情況下可以進行調節，使載物臺 旋轉中心調整到射線源焦點和平板檢測器的投影中心組成的連線上，達到最 好的成像效果。通過左右方向的運動的調節，可以通過試驗考察旋轉中心不 同的偏移程度對成像造成的影響。
上述實例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此 項技術的人是能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實 用新型的保護范圍。凡根據本實用新型精神實質所做的等效變換或修飾，都 應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
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權利要求1.一種具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成像裝置，包括平移運動機構和回轉運動機構，其特征在于所述的平移運動機構包括水平方向運動機構和垂直方向運動機構，所述的水平方向運動機構與載物臺底板平面且平行設置，垂直方向運動機構設置在水平方向運動機構上且垂直于載物臺底板平面；所述的回轉運動機構設置在水平方向運動機構的一側。
2、 根據權利要求1所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的水平方向運動機構包括前后、左右方向運動機構， 前后、左右方向運動機構平行設置于載物臺底板平面上且其運動軌跡相互垂 直，所述的回轉運動機構設置在前后或左右方向運動機構上。
3、 根據權利要求1所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述平移運動機構包括步進電機、導柱、導柱兩端固定 的兩擋板、門型固定板；所述的門型固定板設置在兩擋板間且由導柱貫穿滑 動，門型固定板開口垂直于運動平面；所述的步進電機通過連接桿傳動門型 固定板滑動。
4、 根據權利要求3所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述平移運動機構還包括接近開關，所述的接近開關分 別設置在兩擋板上且接近開關感應器位于門型固定板端。
5、 根據權利要求3所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的步進電機的連接桿為傳動絲桿，步進電機驅動傳 動絲桿與門型固定板對應側的蠊母連接。
6、 根據權利要求1所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的回轉運動機構包括自轉步進電機、門型旋轉固定 板、擋板、工作臺，所述工作臺通過轉軸與步進電機連接，工作臺與步進電 機間設置有固定于自轉電機的門型旋轉固定板上。
7、 根據權利要求6所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的回轉運動機構還包括自轉電機固定板、轉軸固定 座；自轉步進電機固定于自轉電機固定板下，所述轉軸固定座固定在門型旋 轉固定板的擋板上，工作臺設于轉軸固定座上以滾珠軸承固定。
8、 根據權利要求1所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的成像裝置還包括X射線源、平板檢測器，所述四自由度載物臺位于x射線源與平板檢測器之間，且x射線源中心、四自由度載物臺旋轉中心和平板檢測器成像中心位于同一條直線上。
9、 根據權利要求8所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于所述的X射線源為微焦點射線源。
10、 根據權利要求8所述的具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成 像裝置，其特征在于平板檢測器包括集成非晶硅光電二極管面板為核心部件 的平板檢測器。
專利摘要本實用新型公開了一種具有四自由度載物臺的基于錐形束重建的成像裝置，包括平移運動機構和回轉運動機構，屬于顯微X射線成像技術領域，所述的平移運動機構包括水平方向運動機構和垂直方向運動機構，所述的水平方向運動機構與載物臺底板平面平行設置，垂直方向運動機構設置在水平方向運動機構上且垂直于載物臺底板平面；所述的回轉運動機構設置在水平方向運動機構的一側。該裝置可以提供載物臺X、Y、Z和自轉四個自由度的調整，可以應用在Micro CT系統中。
文檔編號A61B6/04GK201328816SQ20082019976
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者蔚 張, 光 李, 羅守華, 歌 董, 功 陳 申請人:蘇州和君科技發展有限公司;東南大學